CN110104222A - 一种基于混合模式推进的模块化推进服务系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于混合模式推进的模块化推进服务系统，包括卫星平台及模块化推进服务系统，卫星平台包括能源模块、控制模块，模块化推进服务系统包括结构模块、推进模块、驱动单元、供电接口模块被动端和数据交互模块被动端，卫星平台的底部设置有第一对接框、供电接口模块主动端和数据交互模块主动端，模块化推进服务系统的顶部设置有第二对接框，模块化推进服务系统的底部设置有第三对接框，第二对接框与第三对接框通过中心承力筒固定连接。本发明模块化推进服务系统与卫星一体化设计，控制、能源、导航、测量等模块与卫星复用，大幅降低了推进服务舱干重，提升了载干比，实现了航天器资源的高效利用。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于混合模式推进的模块化推进服务系统，属于空间控制执行机构领域。
背景技术
当前卫星轨道转移的典型方案有两种，一种是卫星自身星配置双组元统一推进系统，利用卫星推进系统进行轨道转移，需要在卫星中配置较大规模的推进系统，造成入轨后卫星重量较大，影响卫星性能；同时由于推进系统完全集成在卫星平台上，对卫星构型和结构布局带来极大限制；最后，卫星推进系统通常为双组元统一推进系统，采用长寿命设计，满足卫星在轨15年的任务要求，因此价格昂贵。
另一种是利用上面级完成对卫星的轨道转移，由于上面级为独立的飞行器，需要配置完整的电子系统，自身干重较大，影响卫星入轨的有效质量。同时，上面级变轨发动机采用泵压推进系统，姿控采用挤压式推进系统，系统干重大，成本较高。
推进服务舱的任务是实现廉价、高可靠的转移轨道和运输服务，将卫星由星箭分离轨道运送到GEO轨道。
发明内容
本发明的技术解决问题：为了克服现有技术的不足，提供了一种基于混合模式推进的模块化推进服务系统，实现高可靠的转移轨道和运输服务，有效提升卫星的发射重量。
本发明的技术解决方案是：
一种基于混合模式推进的模块化推进服务系统，包括卫星平台及模块化推进服务系统，卫星平台包括能源模块、控制模块，模块化推进服务系统包括结构模块、推进模块、驱动单元、供电接口模块被动端和数据交互模块被动端，卫星平台的底部设置有第一对接框、供电接口模块主动端和数据交互模块主动端，
模块化推进服务系统的顶部设置有第二对接框，模块化推进服务系统的底部设置有第三对接框，第二对接框与第三对接框通过中心承力筒固定连接，中心承力筒内部安装燃烧剂贮箱；氧化剂贮箱和气瓶通过水平安装面沿正交方向布置于中心承力筒外侧，通过板式支撑结构与中心承力筒固连，
第二对接框与第一对接框固定连接，第三对接框与运载器的对接框固定连接；
供电接口模块和数据交互模块同时与驱动单元连接，供电接口模块主动端与供电接口模块被动端连接，通过能源模块为驱动单元和推进模块供电；数据交互模块主动端与数据交互模块被动端连接，将控制模块的指令传递给驱动单元；
运载器与模块化推进服务系统分离后，卫星平台的控制模块通过数据交互模块向驱动单元发送指令，驱动推进模块工作，将卫星平台由转移轨道运送至目标轨道；
到达目标轨道后，第二对接框与第一对接框分离，供电接口模块主动端与供电接口模块被动端分离，数据交互模块主动端与数据交互模块被动端分离。
沿中心承力筒径向等角度均布8块径向支撑板，通过连接耳片与中心承力筒外部连接，径向支撑板间布置梯形安装板，形成8个水平安装面，4个氧化剂贮箱沿正交方向两两对称，通过法兰安装在水平安装面上，剩余4个安装面中的2个用于安装高压气瓶和管阀件，另外2个安装面用于安装驱动单元和电池。
8块外侧矩形支持板与径向支撑板和梯形安装板连接，与1块八边形底板和1块八边形顶板形成八棱柱封闭空间。
中心承力筒的外部八边形板式结构具有较强的扩展能力，中心承力筒高度可随着燃烧剂贮箱容积增加而增高，外部支持结构可随氧化剂贮箱直径和高度增加而扩展。
推进剂装填量1000kg时，推进服务系统干重小于100kg，当推进剂装填量不小于4000kg时，推进服务系统干重小于300kg，此条件下，发射状态推进服务系统与卫星本体形成的组合体横向一阶频率不小于10Hz，纵向一阶频率不小于30Hz。
驱动单元包括电源模块、阀门驱动模块、压力采集模块、温度采集模块和温度控制模块，驱动单元通过星表可分离插头与卫星控制分系统、数管分系统和供配电分系统连接，卫星向推进服务舱提供电源母线，通过1553B数据总线发送指令、采集数据。
推进模块包括压力传感器、电爆阀、自锁阀、推力器、变轨发动机、气瓶、推进剂管路和推进剂贮箱，压力传感器、电爆阀、自锁阀、推进剂管路布置采取模块化设计，模块化安装板对称布置于气瓶所在安装空间内。
模块化推进服务系统配置4台大推力单组元姿控推力器和10台高精度单组元姿控推力器，1台500N变轨发动机，单组元姿轨控推力器共分为A、B两组，选用任意一组推力器均可提供俯仰、偏航、滚转方向的力矩。
模块化推进服务系统燃料耗尽前，卫星驱动推进服务舱机动至坟墓轨道，将推进服务舱抛弃，随后通过自身姿控推进系统调整轨道，返回正常工作轨道。
推进剂总重与推进服务系统总重比值不小于0.83。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)本发明相比于上面级，模块化推进服务系统与卫星一体化设计，控制、能源、导航、测量等模块与卫星复用，大幅降低了推进服务舱干重，提升了载干比，实现了航天器资源的高效利用；
(2)相比现有卫星自身的推进系统，本发明在轨可分离的卫星推进服务系统将卫星送至指定空间位置后，第二对接框与卫星的第一对接框机械分离，供电接口模块主动端与被动端分离，数据交互模块主动端与被动端分离，与卫星彻底分离，卫星利用自身推进系统实现完成后续的定点及轨道维持任务，降低卫星入轨后的自重，有利于提升平台的控制精度，降低卫星平台轨道维持所消耗的推进剂；
(3)本发明推进模块基于卫星混合模式推进系统，与卫星双组元推进系统相比具有低成本、高比冲的特点，与上面级泵压式推进系统相比，采取挤压式工作模式，变轨发动机具备在轨频繁启动的能力，可完成较为复杂的轨道机动任务。
附图说明
图1为本发明模块化推进服务系统与卫星电接口示意图；
图2为本发明中心承力筒组装图；
图3为本发明模块化推进服务系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细地描述：
一种基于混合模式推进的模块化推进服务系统，包括卫星平台及模块化推进服务系统，如图1所示，卫星平台包括能源模块、控制模块、数管模块，模块化推进服务系统包括结构模块、推进模块、驱动单元、供电接口模块被动端和数据交互模块被动端。
卫星平台的底部设置有第一对接框、供电接口模块主动端和数据交互模块主动端，
如图2所示，推进服务系统结构模块的顶部设置有第二对接框1，底部设置有第三对接框2，第二对接框与第三对接框通过中心承力筒4固定连接，这样设计使得载荷传递路径简单，结构承载能力高，可配合贮箱的柱段延伸，进一步提升高度。
承力筒内部安装燃烧剂贮箱6，氧化剂贮箱和气瓶通过水平安装面沿正交方向布置于承力筒外侧，通过板式支撑结构与承力筒固连，推进剂总重与推进服务系统总重比值不小于0.83；
第二对接框与第一对接框固定连接，第三对接框与运载器的对接框固定连接；
供电接口模块和数据交互模块同时与驱动单元连接，供电接口模块主动端与被动端连接，通过能源模块为驱动单元和推进模块供电；数据交互模块主动端与数据交互模块被动端连接，将卫星平台控制模块指令传递给推进服务系统中的驱动单元；
运载器与推进服务系统分离后，卫星平台的控制模块通过数据交互模块向驱动单元发送指令，驱动推进模块工作，将卫星平台由转移轨道运送至目标轨道；
到达目标轨道后，第二对接框与第一对接框分离，供电接口模块主动端与被动端分离，数据交互模块主动端与被动端分离。
沿承力筒径向等角度均布八块径向支撑板5，通过连接耳片与中心承力筒外部连接。径向支撑板间布置梯形安装板，形成8个水平安装面，4个氧化剂贮箱7沿正交方向两两对称，通过法兰安装在水平安装面上。剩余4个安装面中的2个用于安装高压气瓶8和管阀件，另外2个安装面用于安装驱动单元和电池。8块外侧矩形支持板与径向支撑板和梯形安装板连接，与1块八边形底板和1块八边形顶板形成八棱柱封闭空间。该构型适用于氧化剂贮箱体积较小的情况，将体积较大的燃烧剂贮箱布置于承力桶内，能够充分利用空间；氧化剂贮箱体积较小，在外部通过支撑板即可获得足够的支撑刚度。
中心承力筒的外部八边形板式结构具有较强的扩展能力，承力筒高度可随着燃烧剂贮箱容积增加而增高，外部支持结构可随氧化剂贮箱直径和高度增加而扩展。
推进剂装填量1000kg时，推进服务系统干重小于100kg。当推进剂装填量不小于4000kg时，干重小于300kg，此条件下，平台结构在发射状态下，带有1颗3500kg以下的卫星作为负载，应满足CZ-3B运载火箭的载荷约束：发射状态推进服务系统与卫星本体形成的组合体横向一阶频率不小于10Hz、纵向一阶频率不小于30Hz。
驱动单元包括电源模块、阀门驱动模块、压力采集模块、温度采集模块、温度控制模块6个部分，驱动单元通过星表可分离插头与卫星控制分系统、数管分系统和供配电分系统连接。卫星向推进服务舱提供电源母线，通过1553B数据总线发送指令、采集数据。
推进模块采用混合模式推进系统，氧化剂为四氧化二氮、燃烧剂为无水肼，系统混合比为1，因此燃烧剂贮箱容积较大，因此布置于承力桶内；氧化剂贮箱容积较小，4个燃烧剂贮箱和2个高压气瓶通过安装板固定在承力筒外部。
系统配置压力传感器、电爆阀、自锁阀、推力器、变轨发动机、气瓶、推进剂管路、推进剂贮箱。压力传感器、电爆阀、自锁阀、推进剂管路布置采取模块化设计。模块化安装板对称布置于气瓶所在安装空间内。
采用混合模式推进系统，配置4台大推力单组元姿控推力器9和10台高精度单组元姿控推力器，1台500N变轨发动机3，如图3所示，单组元姿轨控推力器共分为A、B两组，选用任意一组推力器均可提供俯仰、偏航、滚转方向的力矩。
模块化推进服务系统燃料耗尽前，卫星驱动推进服务舱机动至坟墓轨道，将推进服务舱抛弃，随后通过自身姿控推进系统调整轨道，返回正常工作轨道。
本发明相比于上面级，模块化推进服务系统与卫星一体化设计，控制、能源、导航、测量等模块与卫星复用，大幅降低了推进服务舱干重，提升了载干比，实现了航天器资源的高效利用；
相比现有卫星自身的推进系统，本发明在轨可分离的卫星推进服务系统将卫星送至指定空间位置后，第二对接框与卫星的第一对接框机械分离，供电接口模块主动端与被动端分离，数据交互模块主动端与被动端分离，与卫星彻底分离，卫星利用自身推进系统实现完成后续的定点及轨道维持任务，降低卫星入轨后的自重，有利于提升平台的控制精度，降低卫星平台轨道维持所消耗的推进剂；
本发明推进模块基于卫星混合模式推进系统，与卫星双组元推进系统相比具有低成本、高比冲的特点，与上面级泵压式推进系统相比，采取挤压式工作模式，变轨发动机具备在轨频繁启动的能力，可完成较为复杂的轨道机动任务。
本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。
Claims (10)
1.一种基于混合模式推进的模块化推进服务系统，其特征在于：包括卫星平台及模块化推进服务系统，卫星平台包括能源模块、控制模块，模块化推进服务系统包括结构模块、推进模块、驱动单元、供电接口模块被动端和数据交互模块被动端，卫星平台的底部设置有第一对接框、供电接口模块主动端和数据交互模块主动端，
模块化推进服务系统的顶部设置有第二对接框(1)，模块化推进服务系统的底部设置有第三对接框(2)，第二对接框(1)与第三对接框(2)通过中心承力筒(4)固定连接，中心承力筒(4)内部安装燃烧剂贮箱(6)；氧化剂贮箱(7)和气瓶通过水平安装面沿正交方向布置于中心承力筒(4)外侧，通过板式支撑结构与中心承力筒(4)固连，
第二对接框(1)与第一对接框固定连接，第三对接框(2)与运载器的对接框固定连接；
供电接口模块和数据交互模块同时与驱动单元连接，供电接口模块主动端与供电接口模块被动端连接，通过能源模块为驱动单元和推进模块供电；数据交互模块主动端与数据交互模块被动端连接，将控制模块的指令传递给驱动单元；
运载器与模块化推进服务系统分离后，卫星平台的控制模块通过数据交互模块向驱动单元发送指令，驱动推进模块工作，将卫星平台由转移轨道运送至目标轨道；
到达目标轨道后，第二对接框(1)与第一对接框分离，供电接口模块主动端与供电接口模块被动端分离，数据交互模块主动端与数据交互模块被动端分离。
2.如权利要求1所述的一种基于混合模式推进的模块化推进服务系统，其特征在于：沿中心承力筒(4)径向等角度均布8块径向支撑板(5)，通过连接耳片与中心承力筒(4)外部连接，径向支撑板(5)间布置梯形安装板，形成8个水平安装面，4个氧化剂贮箱(7)沿正交方向两两对称，通过法兰安装在水平安装面上，剩余4个安装面中的2个用于安装高压气瓶(8)和管阀件，另外2个安装面用于安装驱动单元和电池。
3.如权利要求2述的一种基于混合模式推进的模块化推进服务系统，其特征在于：8块外侧矩形支持板与径向支撑板(5)和梯形安装板连接，与1块八边形底板和1块八边形顶板形成八棱柱封闭空间。
4.如权利要求2述的一种基于混合模式推进的模块化推进服务系统，其特征在于：中心承力筒(4)的外部八边形板式结构具有较强的扩展能力，中心承力筒(4)高度可随着燃烧剂贮箱容积增加而增高，外部支持结构可随氧化剂贮箱直径和高度增加而扩展。
5.如权利要求4所述的一种基于混合模式推进的模块化推进服务系统，其特征在于：推进剂装填量1000kg时，推进服务系统干重小于100kg，当推进剂装填量不小于4000kg时，推进服务系统干重小于300kg，此条件下，发射状态推进服务系统与卫星本体形成的组合体横向一阶频率不小于10Hz，纵向一阶频率不小于30Hz。
6.根据权利要求1所述的一种基于混合模式推进的模块化推进服务系统，其特征在于：驱动单元包括电源模块、阀门驱动模块、压力采集模块、温度采集模块和温度控制模块，驱动单元通过星表可分离插头与卫星控制分系统、数管分系统和供配电分系统连接，卫星向推进服务舱提供电源母线，通过1553B数据总线发送指令、采集数据。
7.根据权利要求1所述的一种基于混合模式推进的模块化推进服务系统，其特征在于：推进模块包括压力传感器、电爆阀、自锁阀、推力器、变轨发动机、气瓶、推进剂管路和推进剂贮箱，压力传感器、电爆阀、自锁阀、推进剂管路布置采取模块化设计，模块化安装板对称布置于气瓶所在安装空间内。
8.根据权利要求1所述的一种基于混合模式推进的模块化推进服务系统，其特征在于：模块化推进服务系统配置4台大推力单组元姿控推力器(9)和10台高精度单组元姿控推力器，1台500N变轨发动机(3)，单组元姿轨控推力器(9)共分为A、B两组，选用任意一组推力器均可提供俯仰、偏航、滚转方向的力矩。
9.根据权利要求1所述的一种基于混合模式推进的模块化推进服务系统，其特征在于：模块化推进服务系统燃料耗尽前，卫星驱动推进服务舱机动至坟墓轨道，将推进服务舱抛弃，随后通过自身姿控推进系统调整轨道，返回正常工作轨道。
10.根据权利要求1所述的一种基于混合模式推进的模块化推进服务系统，其特征在于：推进剂总重与推进服务系统总重比值不小于0.83。
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